基于數字實驗的理想氣體常數的測定

馬善恒+夏建華

摘要：傳統測定理想氣體常數的方法存在誤差較大、不易操作、直觀性差等特點。本實驗使用溫度傳感器、壓力傳感器，測定出三頸瓶內碘單質完全升華后的動態的壓強和溫度變化曲線，在軟件中輸入相關函數，可以直觀地呈現出理想氣體常數，并能明顯地看出理想氣體常數不受溫度、壓強影響的這一特點。

關鍵詞：理想氣體常數；數據采集器；溫度傳感器；氣壓傳感器

文章編號：1008-0546（2017）08-0087-01 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.030

一、問題提出

傳統測定理想氣體常數的裝置圖如下[1-5]，根據公式R=PV/nT，利用Mg+H2SO4MgSO4+H2↑，稱取Mg的質量計算出氫氣的物質的量n，P為大氣壓，溫度為常溫下。

該實驗可以粗略測定出理想氣體常數，但尚存在以下三個問題：

①實驗中水蒸氣會造成一定的誤差；

②鎂條不純或表面被氧化會帶來一定的誤差；

③該實驗不能直觀地呈現出理想氣體常數不受溫度、壓強影響的特點。

二、數字實驗下理想氣體常數的測定

1. 實驗目的

運用數字實驗測定理想氣體常數

2. 實驗原理

PV=nRT

R = PV/nT =PVM/mT

P運用壓力傳感器可以直接測出

V運用排水法可以測出容器體積

T運用溫度傳感器可以直接測出

m運用質量差測出三頸瓶內碘單質的質量

碘單質在45℃時升華已比較明顯，筆者在三頸瓶內放入過量的碘單質，并將三頸瓶完全浸入在水槽中的熱水浴內（水溫在90℃左右），利用碘單質的升華趕盡三頸瓶內的空氣，排出的空氣及碘蒸汽通入氫氧化鈉溶液中。待裝置內碘單質完全升華，關閉止水夾，測定出此時裝置內溫度及氣壓變化曲線，利用裝置質量差計算出此時裝置內的碘單質含量，在配套軟件上輸入相關數據構建出理想氣體常數的函數曲線。

3. 實驗儀器及藥品

電腦（裝有威尼爾配套軟件）、數據采集器、壓力傳感器、溫度傳感器、水槽；碘單質、90℃左右的熱水。

4. 實驗裝置圖

5. 實驗步驟

（1）如圖2所示連接，三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導管插入到1mol/L氫氧化鈉溶液中，打開電腦軟件。

（2）稱三頸瓶的質量（含塞子及不可取下的連線）為354.792g。打開瓶塞，向其中加入約10g的碘單質，如裝置圖連接好。

（3）打開止水夾，將三頸瓶整體沒入熱水浴（溫度約90℃）中加熱，加熱至三頸瓶底部沒有碘單質固體為止，關閉止水夾，點擊軟件上的“采集”按鈕，移開酒精燈，采集約1min。點擊“停止采集”按鈕。

（4）待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時三頸瓶的質量（含塞子及不可取下的連線）為352.602g，即三頸瓶內此時含有碘單質的質量為2.190g。

（5）點擊軟件“數據”欄中的“新計算欄”，在“參數”欄中輸入“體積=0.251L”、“質量=2.190g”、“碘單質摩爾質量=254.000g/mol”。在“公式”欄中輸入“（碘單質摩爾質量？鄢體積？鄢”壓力”）/（“溫度”？鄢質量）”，勾選“在實時讀數時顯示”，點擊“完成”。

（6）實驗數據及結論

從圖3中可以看出，熱力學常數并不受溫度和壓力同時變化的影響，測出數據約為8.30kPa·L·mol-1·K-1，準確度達99.83%。

三、實驗創新點

傳統實驗在進行理想氣體常數測定時，存在誤差大，不能直觀地呈現出理想氣體常數不受溫度、壓強影響的特點。本實驗利用碘蒸汽升華排出裝置內的空氣，有效地減少了誤差。其次，本實驗操作簡單，測定出溫度和壓強數據后，直接在威尼爾軟件中設置一下即可得出結果。

參考文獻

[1] 上?；W院無機化學教研組. 無機化學實驗 [M]. 北京：人民教育出版社，1979：30-32

[2] 周寧懷. 微型無機化學實驗[M]. 北京：科學出版社，2000：24-27

[3] 于濤. 微型無機化學實驗[M]. 北京：北京理工大學出版社，2004：33-34

[4] 吳江. 大學基礎化學實驗 [M]. 北京：化學工業出版社，2005：132-134

[5] 韓莉，等.關于“理想氣體常數R的測定”實驗原理的討論[J]. 實驗室研究與探索，2007（8）：27-29